气动软体机械手抓持力规划研究及结构优化设计

摘要

软体机械手作为一种可用于物体抓取的新型结构，其设计灵感来源于自然界中具有柔性和顺应性等的生物系统组织，可克服传统刚性机械手接触力过大、驱动复杂和成本高昂等缺点，尤其适合于柔性易损坏物品的自动化抓取领域。本文设计了一种三触手气动软体机械手，围绕其进行了结构设计制作、材料本构、气室弯曲模型、抓持力规划和结构优化设计等方面的研究，主要研究内容如下：　　(1)基于快速气动网格结构设计了单根气动软体触手，以气室壁厚、气室宽度、气室高度和气室长度梯度变化系数作为设计变量，以抓取物体时的几何尺寸关系设计了三触手气动软体机械手。利用分层灌模的方式制作了软体触手实物，并搭建了可测量其弯曲变形和指端输出力的实验平台。制作了基体材料的标准拉伸样件并进行单轴拉伸试验，对试验数据进行本构参数的拟合，确定了Ogden二阶本构作为基体材料的分析本构。　　(2)利用分段常曲率理论进行软体触手单气室弯曲行为的分析，采用虚功原理建立了小应变下的单气室弯曲理论模型，并在大应变范围下进行模型的修正，与实验结果进行对比验证了理论模型的准确性。对影响气室弯曲角度的结构参数进行敏感性分析，气室高度的影响最大。基于D-H法构建软体触手的弯曲变形模型，并与实验结果对比，结果吻合良好，采用蒙特卡罗法分析了软体机械手的工作空间，为下一步软体机械手抓持力规划的研究提供了基础。　　(3)建立了包含接触模型、力螺旋平衡和力封闭条件的完整软体触手指端抓取接触力规划理论。提出了最大化接触力稳定性系数和最小化接触力向量2-范数的接触力规划目标，并建立了接触力多目标优化数学模型，利用多目标粒子群算法对三个指端抓取实例下的接触力进行求解，得到了相应的Pareto最优前沿。建立了求解指端接触正压力的有限元模型，并与实验结果进行对比来验证了有限元模型的准确性，采用曲线拟合的方法得到了软体触手指端输出力特性。　　(4)提出并建立了最大化比接触力、最大化接触正压力和最小化末端状态角的结构优化目标，选取了气室高度、气室壁厚和梯度变化系数作为优化变量并构建多目标优化模型。基于优化拉丁超立方试验设计法选取了50个样本点，对样本点进行有限元计算并进行参数影响的主效应分析。构建了比接触力、接触正压力和末端状态角的三阶响应面近似模型，经过多目标粒子群算法求解，得到了Pareto最优前沿，选择末端状态角小于65°的最优解，并验证了优化结果的准确性。对比优化前后的比接触力接触正压力，优化结构提升了软体机械手的综合抓取性能。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 气动软体机械手国内外研究现状

1.2.1 软体机械手概况

1.2.2 气动软体机械手研究现状

1.3 灵巧手抓持力规划国内外研究现状

1.4 研究现状总结

1.4.1 气动软体机械手研究现状总结

1.4.2 灵巧手抓持力规划研究现状总结

1.5 主要研究内容及重难点

第2章 软体机械手结构设计及实验平台搭建

2.1 单根软体触手结构设计

2.1.1 快速气动网格结构介绍

2.1.2 软体触手详细结构设计

2.2 圆周均布式软体机械手结构设计

2.3 软体触手制造及实验平台搭建

2.4 软体触手基体材料本构

2.4.1 本构模型介绍

2.4.2 材料拉伸试验及本构参数确定

2.5 小结

第3章 软体机械手弯曲变形模型建立与分析

3.1 基于分段常曲率的单气室弯曲模型

3.1.1 单气室弯曲变形分析

3.1.2 弯曲总角度实验对比

3.1.3 大应变下理论模型修正

3.2 气室弯曲角度的影响因素分析

3.2.1 单因素影响分析

3.2.2 多因素影响分析

3.3 基于 D-H 法的软体触手弯曲变形分析

3.3.1 软体触手局部坐标系变换

3.3.2 软体触手弯曲变形实验对比

3.4 基于蒙特卡罗的软体机械手工作空间分析

3.5 小结

第4章 软体机械手抓持力规划及指端输出力研究

4.1 多指灵巧手抓持力模型

4.1.1 接触模型

4.1.2 力封闭条件

4.2 软体机械手的接触力多目标优化

4.2.1 接触力多目标优化模型建立

4.2.2 指端抓取实例建立

4.2.3 接触力优化求解

4.3 软体触手指端输出力有限元分析

4.4 软体触手指端输出力实验验证

4.5 小结

第5章 软体机械手结构多目标优化设计

5.1 软体机械手结构多目标优化模型建立

5.1.1 结构优化目标

5.1.2 结构多目标优化模型建立

5.2 优化拉丁超立方试验设计

5.3 基于响应面法的近似模型构建

5.3.1 响应面法概述

5.3.2 近似模型结果

5.4 多目标优化计算与结果验证

5.5 小结

总结与展望

全文总结

创新点分析

研究展望

参考文献

致 谢